受活性酶启发的人工催化剂

 tianxiadiyi   2019-08-06 11:32   14 人阅读  0 条评论
所有生物都依赖于酶 - 这些分子加速了对生命至关重要的生化反应。 几十年来,科学家们一直在努力创造能够在工业规模上开发出重要化学品和燃料的人工酶,其性能可与天然的同类产品相媲美。 斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员开发出一种合成催化剂,可以像酶在生物体中那样生成化学物质。在8月5日出版的“ 自然催化”杂志上发表的一项研究中,研究人员表示,他们的发现可能导致工业催化剂能够以更低的能耗和更低的成本生产甲醇。甲醇具有多种应用,并且对其用作比传统汽油具有更低排放的燃料的需求不断增长。 “我们从大自然中汲取灵感,”资深作者,斯坦福大学化学工程助理教授Matteo Cargnello说。“我们希望使用人工催化剂模拟实验室中天然酶的功能,以制造有用的化合物。” 在实验中,研究人员设计了一种由钯(一种贵金属)纳米晶体制成的催化剂,嵌入多层聚合物中,具有特殊的催化性能。在自然界中发现的大多数蛋白质酶也含有痕量金属,如锌和铁,嵌入其核心。 研究人员通过国家标准与技术研究所的共同作者Andrew Herzing的电子显微镜图像观察了催化剂中的痕量钯。 模型反应 “我们专注于模型化学反应:将有毒的一氧化碳和氧气转化为二氧化碳(CO 2),”该研究的第一作者,博士生Andrew Riscoe说。“我们的目标是,以查看是否人工催化剂作用相当于通过加速反应并控制CO的方式的酶2被产生。” 为了找到答案,Riscoe将催化剂放入一个连续流动的一氧化碳和氧气的反应器管中。当管加热至约150摄氏度(302华氏度)时,催化剂开始产生所需产物二氧化碳。 来自SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)的高能X射线显示催化剂具有与酶中所见类似的特性:催化剂内的钯纳米晶体连续地与氧气和一氧化碳反应产生二氧化碳。并且一些新形成的二氧化碳分子在从纳米晶体中逸出时被捕获在外聚合物层中。 “X射线表明,一旦该聚合物层填充有CO 2,将反应停止,” Cargnello,与斯坦福天然气倡议(NGI)一个附属所述。“这一点很重要,因为它是由酶使用相同的策略。当酶产生过多的一款产品,它停止工作,因为产品不再需要。我们发现,我们还可以规范生产的CO 2通过控制聚合物层的化学成分。这种方法可能影响许多催化领域。“ X射线成像由研究合作者斯坦福大学博士后学者Alexey Boubnov以及SLAC科学家Simon Bare和Adam Hoffman进行。 制造甲醇 随着二氧化碳实验的成功,Cargnello及其同事将注意力转向将甲烷(天然气的主要成分)转化为甲醇,甲醇是一种广泛用于纺织品,塑料和涂料的化学品。甲醇也被吹捧为汽油燃料的更便宜,更清洁的替代品。 “在低温下将甲烷转化为甲醇的能力被认为是催化剂的圣杯,”Cargnello说。“我们的长期目标是建立一种催化剂,其行为类似甲烷单氧化酶,这是某种微生物用来代谢甲烷的天然酶。” 今天的大多数甲醇是通过两步法生产的,包括将天然气加热到约1000℃(1,800℉)的温度。但是,这种能源密集型过程会释放大量二氧化碳,这是一种有助于全球气候变化的强效温室气体。 “直接转换到甲烷甲醇的人造催化剂将需要低得多的温度和发射远少CO 2,” Riscoe说明。“理想情况下,我们还可以通过设计在甲醇燃烧前捕获甲醇的聚合物层来控制反应产物。” 未来的酶 “在这项工作中,我们证明了我们可以制备由聚合物和金属纳米晶体制成的混合材料,这些材料具有典型的酶活性特征,”Cargnello说道,他也是斯​​坦福大学SUNCAT界面科学和催化中心的附属机构。“令人兴奋的是,我们可以将这些材料应用于许多系统,帮助我们更好地了解催化过程的细节,并使我们更接近人工酶。” 其他共同作者包括斯坦福大学博士生Cody Wrasman和高中实习生Aditya Menon和Maria Vargas,并得到斯坦福大学提高科学与工程兴趣(RISE)计划的支持。 研究经费来自NGI的种子基金,地球能源与环境科学学院(斯坦福大学地球学院)和Precourt能源研究所合作。斯坦福大学工程学院的特曼学院奖学金和国家科学基金会的研究生研究奖学金计划提供了额外的支持。SSRL工作的资金由美国能源部科学办公室基础能源科学办公室提供。 。由澳客网手机版比分直播编辑报道
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